DE4301100A1 - Verfahren zum Betrieb eines Kombikraftwerkes mit Kohle- oder Oelvergasung - Google Patents

Verfahren zum Betrieb eines Kombikraftwerkes mit Kohle- oder Oelvergasung

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kombi­ kraftwerkes mit Kohle- oder Ölvergasung gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Stand der Technik
Die heutigen kommerziellen Vergasungstechnologien (Kohlever­ gasung, Ölvergasung) basieren auf sauerstoffgeblasenen Verga­ sungsreaktoren. Der für die Vergasung notwendige Sauerstoff wird dabei mit einer Luftzerlegungsanlage bereitgestellt. Der angewendete Luftzerlegungsprozeß kann in folgende Haupt­ schritte aufgeteilt werden:
  • - Luftverdichtung
  • - Luftreinigung und Wärmetausch
  • - Kryogene Rektifikation
  • - Verdichtung der Produktströme auf das im Prozeß benötigte Niveau.
Da die Luftzerlegungeanlage unter einem Druckverhältnis von 6 bar arbeitet, wird die Luft im ersten Teilprozeß auf 6 bar verdichtet, die Produktströme Sauerstoff und Stickstoff fal­ len bei Umgebungsdruck an.
Luftzerlegungsanlagen, die in Kombikraftwerken mit Kohle- oder Ölvergasungsanlagen zur Anwendung kommen, werden jedoch häufig für ein höheres Druckniveau ausgelegt. Als Kompressor wird dann der Gasturbinenverdichter verwendet, d. h. die nöti­ ge Luft wird hinter dem Gasturbinenverdichter entnommen. Die Luftzerlegungsanlage wird auf dem Gasturbinenverdichterdruck­ niveau betrieben, z. B. auf 14 bar, die Produktgase Sauerstoff und Stickstoff fallen dann bei ca. 4,5 bar an. Der Stickstoff wird wieder auf das Gasturbinenbrennkammerniveau verdichtet, im Gegenstrom zur Entnahmeluft aufgewärmt und mit dem Gas aus der Kohle- oder Ölvergasung (Synthesegas) vermischt.
Da Synthesegas hohe Wasserstoff- und Kohlenmonoxidanteile aufweist, muß es mit Wasser gesättigt werden, wenn man mit den üblichen Verbrennungstechnologien die geforderten maxi­ malen NOx-Grenzwerte erreichen will.
Bei der Verbrennung von Synthesegas mit Wassersättigung tritt bei Standard-Gasturbinen aber das Probleme auf, daß der niedrige Heizwert des Synthesegases große Brennstoffmassen­ ströme erfordert. Dieser Effekt wird noch verstärkt durch den zusätzlichen Wassermassenstrom von der Brenngassättigung. Als Folge steigt bei Standard-Gasturbinen der Brennkammerdruck an und die Pumpgrenze des Verdichters wird überschritten. Daraus resultiert die bekannte Lösung der Luftentnahme aus dem Gas­ turbinenverdichter und die Integration des Gasturbinenprozes­ ses mit der Luftzerlegungsanlage, d. h. mit Rückführung des Stickstoffes in die Gasturbinenbrennkammer.
Dieser Stand der Technik hat folgende Nachteile:
  • - geringer Wirkungsgrad
  • - schlechte Verfügbarkeit
  • - geringe Wirtschaftlichkeit
  • - großer Aufwand im Betrieb.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Kombikraftwerkes mit Kohle- oder Ölvergasung zu entwickeln, bei dem Gasturbine und Luftzerlegungsanlage unabhängig von­ einander betrieben werden können.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 die für die Luftzerlegungsanlage benötigte Luft in einem separaten Verdichter verdichtet und vor Zufuhr in die Luftzerlegungs­ anlage gekühlt wird, daß nur so viel Rückstickstoff in die Gasturbine zurückgeführt wird, wie es die Pumpgrenze des Ver­ dichters zuläßt, und der restliche Teil des Rückstickstoffes unmittelbar nach dem Austritt aus der Luftzerlegungsanlage in einem Expander auf Umgebungsdruck entspannt wird.
Die Vorteile der Erfindung bestehen unter anderem darin, daß die Gasturbine und die Luftzerlegungsanlage unabhängig von­ einander betrieben werden und demzufolge ein Ausfall des Stickstoff-Rückverdichters keinen Ausfall der Gasturbine zur Folge hat sondern nur eine Leistungsverminderung. Der Wir­ kungsgrad der Anlage ist gegenüber dem Stand der Technik er­ höht. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Druckniveau der Luftzerlegungsanlage unabhängig von der Gasturbine gewählt werden kann.
Es ist besonders zweckmäßig, wenn dem Teil des Stickstoffes, der in die Gasturbinenbrennkammer zurückgeführt wird, vor der Rückführung Wärmeenergie zugeführt und wenn dem Teil des Stickstoffes, der in den Expander geleitet wird, vorher Wär­ meenergie zugeführt werden. Als Wärmequellen dienen jeweils Wärme aus den Verdichter-Zwischenkühlern oder Verdichter-End­ kühler oder Wärme aus dem Vergasungs- und/oder Gasreinigungsprozeß oder Wärme aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Wärmezufuhr vor dem Ex­ pander so geregelt wird, daß der Stickstoff eine gewünschte Austrittstemperatur aus dem Expander erreicht.
Schließlich wird mit Vorteil der entspannte Stickstoff der Ansaugluft für den Gasturbinenverdichter beigemischt.
Es ist außerdem zweckmäßig, wenn die Aufteilung des Stick­ stoffes, der verdichtet und der Gasturbinenbrennkammer zuge­ führt wird, in Abhängigkeit von der Pumpgrenze und/oder der Umgebungstemperatur geregelt wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Arbeitsdruck der Luft­ zerlegungsanlage so gewählt wird, daß der Stickstoff entwe­ der auf leicht erhöhtem Brennkammerdruckniveau oder aber auf leicht erhöhtem Umgebungsdruck anfällt.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Arbeitsdruck unabhängig vom Brennkammerdruck gewählt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zum Be­ trieb eines Kombikraftwerkes mit Kohlevergasung ohne Rückführung des entspannten Stickstoffes aus der Luftzerlegungsanlage in die Ansaugluft des Gas­ turbinenverdichters;
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zum Be­ trieb eines Kombikraftwerkes mit Kohlevergasung mit Rückführung des entspannten Stickstoffes aus der Luftzerlegungsanlage in die Ansaugluft des Gastur­ binenverdichters.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli­ chen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmit­ tel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist schematisch ein Verfahrensablauf zum Betrieb eines Kombikraftwerkes mit Kohlevergasung dargestellt. Fol­ gende Hauptschritte finden dabei zeitlich nacheinander statt:
  • - Kohlevorbereitung und -transport
  • - Kohlevergasung und Abhitzenutzung
  • - Kohlegasreinigung
  • - Kohlegassättigung
  • - Verbrennung des Gases und Antrieb der Gasturbine.
Da die heute üblichen Vergasungstechnologien auf sauerstoff­ geblasenen Vergasungstechnologien basieren, wird der für die Kohlevergasung notwendige Sauerstoff mit einer Luftzerle­ gungsanlage 1 bereitgestellt.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird erfindungsgemäß die für die Luftzerlegungsanlage 1 benötigte Luft in einem separaten Verdichter 5 verdichtet. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die verdichtete Luft in einem Wärmeaustauscher 9 gekühlt und der auf der bekannten Basis der kryogenen Rektifikation arbeitenden Luftzerlegungsanlage 1 zugeführt. Der dabei hergestellte Sauerstoff wird wie üb­ lich in einem Verdichter 2 verdichtet und den Vergasungsreak­ toren zugeführt. Ein Teil des anfallenden Stickstoffs wird bekanntermaßen in einem Verdichter 12 verdichtet und dem Kohlevorbereitungsprozeß zugeführt. Ein anderer Teil des Stickstoffs, der Rückstickstoff, wird gemäß vorliegender Erfindung nur in einem solchen Umfange in einem nachgeschal­ teten Verdichter 3 verdichtet und in die Gasturbinenbrenn­ kammer 4 zurückgeführt, wie es die Pumpgrenze des Verdichters 7 zuläßt. Falls es nötig ist, wird wie in Fig. 1 darge­ stellt, der Stickstoffin einem Wärmetauscher 10 auf eine ge­ wünschte Temperatur vorgewärmt, bevor er dem Brenngas zuge­ mischt wird, welches der Gasturbinenbrennkammer 4 zugeführt und dort verbrannt wird, um die Gasturbine 6 anzutreiben.
Der Rest des Stickstoffes wird in einem Expander 8 auf Umge­ bungsdruck expandiert. Um die Leistung des Expanders 8 zu er­ höhen und/oder eine gewünschte Austrittstemperatur zu errei­ chen, wird der Stickstoff vor dem Expander 8 in einem Wärme­ tauscher 11 vorgewärmt. Als Wärmequelle können z. B. die Ver­ dichter-Zwischenkühler oder Verdichter-Endkühler 9 dienen oder Wärme aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf. Aber auch Nieder­ temperaturwärme aus dem Vergasungsprozeß und/oder dem Gasreinigungsprozeß kann dazu benutzt werden.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) ist darge­ stellt, daß zusätzlich zu den im ersten Ausführungsbeispiel bereits beschriebenen Verfahrensschritten der entspannte Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage 1 der Ansaugluft des Gasturbinenverdichters 7 zugemischt wird. Da der entspannte Stickstoff relativ kalt ist, wird durch seine Zumischung die Ansaugluft kühler als die Umgebungstemperatur, wodurch der Wirkungsgrad der Anlage gesteigert wird.
Aus Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die Aufteilung des Stick­ stoffes, der verdichtet und der Gasturbinenbrennkammer 4 zu­ geführt wird, und des Stickstoffes, der entspannt und der An­ saugluft des Gasturbinenverdichters 7 zugeführt wird, in Ab­ hängigkeit von der Pumpgrenze und/oder der Umgebungslufttem­ peratur geregelt werden kann. Die Leistung und der Wirkungs­ grad der Gasturbine 6 und der gesamten Anlage werden so in einem gewissen Umgebungstemperaturbereich unabhängig von der­ selben.
Weitere mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus der Wahl des Arbeitsdruckes der Luftzerlegungsanlage 1. Der Arbeitsdruck kann unabhängig vom Brennkammerdruckni­ veau gewählt werden. Wird der Arbeitsdruck aber so gewählt, daß der Stickstoff auf leicht erhöhtem Brennkammerdruckni­ veau anfällt, so entfällt der Schritt der Stickstoffrückver­ dichtung. Wenn andererseits der Arbeitsdruck der Luftzerle­ gungsanlage 1 so gewählt wird, daß der Stickstoff auf leicht erhöhtem Umgebungsdruck anfällt, so entfällt der Verfahrens­ schritt der Entspannung des Stickstoffes im Expander.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in Kombikraftwerken mit Ölvergasung angewendet werden.
Bezugszeichenliste
 1 Luftzerlegungsanlage
 2 Verdichter (Sauerstoff)
 3 Verdichter (Rückstickstoff)
 4 Gasturbinenbrennkammer
 5 Verdichter (Luft)
 6 Gasturbine
 7 Gasturbinenverdichter
 8 Expander (Rückstickstoff)
 9 Wärmetauscher (Luft für Luftzerlegungsanlage)
10 Wärmetauscher (Rückstickstoff für Gasturbinenbrenn­ kammer)
11 Wärmetauscher (Rückstickstoff für Expander)
12 Verdichter (Stickstoff)

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb eines Kombikraftwerkes mit Kohle- oder Ölvergasung, bei dem der für die Vergasung notwen­ dige Sauerstoff mit einer Luftzerlegungsanlage (1) be­ reitgestellt und nach Verdichtung in einem Verdichter (2) den Vergasungsreaktoren zugeführt wird und ein Teil des mit der Luftzerlegungsanlage (1) erzeugten Stick­ stoffs nach Verdichtung in einem Verdichter (3) auf das Gasturbinenbrennkammerniveau mit dem Synthesegas aus der Kohle- oder Ölvergasung gemischt und in die Gasturbinen­ brennkammer (4) zurückgeführt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß die für die Luftzerlegungsanlage (1) benötigte Luft in einem separaten Verdichter (5) verdichtet und vor Zufuhr in die Luftzerlegungsanlage (1) in einem Wär­ metauscher (9) gekühlt wird, daß nur so viel Rückstick­ stoff in die Gasturbinenbrennkammer (4) zurückgeführt wird, wie es die Pumpgrenze des Verdichters (7) zuläßt, und der restliche Teil des Rückstickstoffes unmittelbar nach dem Austritt aus der Luftzerlegungsanlage (1) in einem Expander (8) auf Umgebungsdruck entspannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Teil des verdichteten Stickstoffes, der in die Gas­ turbinenbrennkammer (4) zurückgeführt wird, vor der Rückführung in einem Wärmetauscher (10) Wärmeenergie zu­ geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Teil des Stickstoffs, der in den Expander (8) gelei­ tet wird, vorher in einem Wärmetauscher (11) Wärmeener­ gie zugeführt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Wärmequellen Wärme aus den Verdich­ ter-Zwischenkühlern oder Verdichter-Endkühler oder Wärme aus dem Vergasungs- und/oder Gasreinigungsprozeß oder Wärme aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf eingesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr vor dem Expander (8) so geregelt wird, daß der Stickstoff eine gewünschte Austrittstemperatur aus dem Expander (8) erreicht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der entspannte Stickstoff der Ansaugluft des Gasturbi­ nenverdichters (7) beigemischt wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aufteilung des Stickstoffes, der ver­ dichtet und der Gasturbinenbrennkammer (4) zugeführt wird und des Stickstoffes, der entspannt und der Ansaug­ luft des Gasturbinenverdichters (7) beigemischt wird, in Abhängigkeit von der Pumpgrenze und/oder Umgebungsluft­ temperatur geregelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsdruck der Luftzerlegungsanlage (1) so gewählt wird, daß der Stickstoff auf leicht erhöhtem Brennkam­ merdruckniveau anfällt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsdruck der Luftzerlegungsanlage (1) so gewählt wird, daß der Stickstoff auf leicht erhöhtem Umgebungs­ druck anfällt.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsdruck der Luftzerlegungsanlage (1) unabhängig vom Brennkammerdruck gewählt wird.
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